核电厂数字化仪控系统的发展及应用分析

杨成　鲁陈林

摘 要：本文介绍了核电厂仪表与控制系统的发展进程，说明采用DCS+PLC+FCS技术是未来核电发展的新趋势。并以江苏田湾核电厂为例，介绍了数字化仪控技术在核电厂基建时期、运行和维修期间的优越性。

关键词：核电厂；控制系统；模拟量；数字量；DCS

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.127

1 前言

仪表和控制系统作为现代核电厂的核心部分，对核电厂的安全稳定运行起着至关重要的作用。纵观核电厂的发展进程，核电厂的数字化进程大致分为三个阶段：第一阶段，以模拟量组合单元仪表作为控制系统，如深圳大亚湾核电厂主控制系统所采用的Baily9020系统[1]；第二阶段，随着计算机技术的迅猛发展，当前核电厂也大多采用了集散控制系统DCS（Distributed Control System），如江苏田湾核电厂所采用的Teleperm-XP仪控系统；第三阶段，电厂最新采用的则是现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System），是数字化仪控系统的典型代表。

2 仪控系统的特点介绍与分析

2.1 模拟量仪表控制简介

早期核电厂均以模拟量组合单元仪表作为控制系统。模拟量仪表通过小规模集成电路来控制，逻辑量仪表则通过硬逻辑电路来控制。对于整个大型核电厂来说，由于所需控制的器件数量巨大，且需操作员手动来执行控制，这严重影响机组的运行维护效率和经济性。随着电厂的运行，设备在高温、高压、强中子辐照情况下服役，模拟量仪表老化问题日益突出，这严重影响核电厂的安全稳定运行。这种情况下，更需研发和应用安全性与经济性更高的控制仪表。

2.2 集散控制系统DCS简介

集散控制系统通过将模拟量仪控技术和计算机技术相结合，一方面继承了模拟量仪控的“点对点控制”特点，另一方面，又利用计算机技术将电厂的各类信息进行统一处理，可大大降低了操作员误操作的风险。但由于对模拟量仪控技术的保留，DCS必须解决与模拟量仪表信号转换与对接的技术问题，即AD和DA转换（模数和数模转换）。

2.3 现场总线控制系统FCS简介

FCS（Fieldbus Control System）现场总线控制系统发展于20世纪80年代后期，通过集合数字通信技术、自动化控制技术、网络拓扑技术和智能控制技术等多种先进技术方法，从根本上改变了以往“点对点控制”的方式，进而实现了全分散、全数字化、全智能化的通信能力。

通过采用FCS控制系统，可通过数字智能现场装置发送多变量信息，信号传递所需的电缆数大大减少；同时，基于双向的数字通信现场总线，FCS具有智能化的信息实时分析及故障诊断能力。

3 核电厂仪控应用实例分析

田湾核电厂作为国内首家应用数字化仪控技术的核电厂，其采用的是德国西门子公司生产的数字化仪控系统。

电厂的“运行仪控系统”采用了集散控制系统Teleperm-XP，用于核电厂运行期间信息的监测与控制，包括核电厂正常运行和事故工况下的控制，还可实现专设安全设施的定期试验功能。

电厂的“安全控制系统”采用了Teleperm–XS计算机化平台，用于实现核电厂总体安全功能的四大目标，包括：对反应性进行控制，确保核反应堆处于次临界；保证堆芯产生热量导出，确保堆芯余热导出；保证核反应堆三道屏障的完整性，防止或减少放射性释放；控制安全功能支持设备运行，确保安全功能执行[2]。

通过近年的运行成本及效益分析，数字化仪控系统大大降低了对现场监控设备信息的成本。同时，依靠DCS的故障诊断技术，可以及时有效的对设备状态进行监测与维护，大大减少操作员的工作量。

4 未来核电厂仪控系统的发展模式

未来核电厂仪控系统发展模式是将分散控制系统DCS与可编程控制器PLC及现场总线控制系统FCS的优势相融合，具备如下优点。

4.1 对仪控设备老化问题进行解决

由于总线控制系统FCS所使用控制器的数量相对较少，通过现场的智能化控制，降低了设备发生老化的概率，提高设备的安全利用率。同时，通过FCS在线故障诊断技术，可及时有效地诊断出设备存在的故障。

4.2 核电厂运行管理分析

优化的仪控系统可以记录电厂的实时运行参数，并存储在计算机中。电厂操作员可以对数据库的信息进行及时分析，包括可靠性分析、安全性分析、故障分析及电厂供电能力经济效益分析。

4.3 核电厂经济性分析

通过采用多功能现场智能设备，可直接完成对核电厂设备的数字化控制，由于FCS所需变送器数量减少，这简化了与就地设备的连接数量，降低了基建成本，提高了核电厂的经济效益。

5 结论

随着数字化仪控技术的发展，基于模拟技术的仪控系统给核电厂的运行和维修带来很大的局限性，核电厂采用全数字化仪控系统已经成为未来发展的趋势。本文通过分析核电厂发展进程中的三种仪控技术，引出未来核电厂将采用DCS+PLC+FCS的仪控技术路线，并阐述了其所具有的优势。同时以江苏田湾核电厂为例，详细介绍了采用数字化仪控技术在核电厂基建时期、运行和维修期间的优越性，为其它在建核电机组的设计与建造提供参考。

参考文献：

[1]王家胜.核电厂数字化仪控系统改造中的几种控制系统综合应用分析[J].核科学与工程，2005（09）：231-238.

[2]黄潜.核电厂数字化仪控系统科技创新[J].中国核电，2013（03）：4-6.

作者简介：杨成（1989-），男，河北沧州人，硕士，助理工程师，研究方向：核安全与仿真、核仪表与控制。